iOS中的锁

2017-01-16 本文已影响1272人 01_Jack

前言

生活中的锁随处可见，锁的作用也不言而喻，本文小结一下iOS的锁。

技能表

atomic （酱油君）
@synchronized
NSLock
NSConditionLock
NSRecursiveLock
NSCondition
dispatch_semaphore
OSSpinLock
os_unfair_lock
POSIX LOCK
NSDistributedLock (酱油君)

atomic

说到锁不得不提线程安全，说到线程安全，不得不提nonatomic与atomic的爱恨情仇。
我们经常看到这样的描述：“nonatomic为非原子性非线程安全，atomic为原子性线程安全，但是atomic真的线程安全吗？”
然后就没有然后了。。

先来扒一下nonatomic和atomic会干什么

nonatomic/atomic = getter + setter + ivar

nonatomic生成的getter、setter没加锁，atomic生成的getter、setter有锁。所以当通过setter/getter而非ivar赋值/取值被atomic修饰的属性时，该属性是读写安全的。
然而读写安全并不代表线程安全，那么什么是线程安全？

线程安全就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问直到该线程读取完，其他线程才可使用。不会出现数据不一致或者数据污染。 线程不安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据【引自百科】

atomic非线程安全验证

@interface ViewController ()

@property (strong) NSString *info;

@end

@implementation ViewController

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];

    //A
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            self.info = @"a";
            NSLog(@"A--info:%@", self.info);
        }
    });
    
    //B
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            self.info = @"b";
            NSLog(@"B--info:%@", self.info);
        }
    });    

}

@end

根据线程安全定义，如果atomic为线程安全A输出应该永远为A--info:a，B输出应该永远为B--info:b

来看控制台输出

atomic

OK，atomic非线程安全验证完毕，下面来说锁。

@synchronized

@synchronized是iOS中最常见的锁，用法很简单

    //A
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            @synchronized (self) {
                _info = @"a";
                NSLog(@"A--info:%@", _info);
            }
        }
    });
    
    //B
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            @synchronized (self) {
                _info = @"b";
                NSLog(@"B--info:%@", _info);
            }
        }
    });

这样就可以确保A中输出均为A--info:a，B中输出均为B--info:b

但是@synchronized()括号中只要写相同数据就可以吗？如果这个数据的地址在不断变化呢？比如这样：

   //A
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            @synchronized (_info) {
                _info = @"a";
                NSLog(@"A--info:%@", _info);
            }
        }
    });
    
    //B
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            @synchronized (_info) {
                _info = @"b";
                NSLog(@"B--info:%@", _info);
            }
        }
    });

再来看控制台输出：

@synchronized

可见@synchronized()括号中只能写地址不变的数据。
@synchronized会隐式添加异常处理，当发生异常时自动释放互斥锁，性能相对较低。

NSLock

NSLock是iOS中另一种较为常见的锁，进入NSLock.h中可以发现NSLock继承自NSObject并且遵守NSLocking协议。除此之外，在NSLock.h中还能看到NSConditionLock、NSRecursiveLock和NSCondition这3个类，他们也都是继承自NSObject并且遵守NSLocking协议。

NSLocking协议定义了两个实例方法，lock和unlock对应着加锁与解锁

@protocol NSLocking

- (void)lock;
- (void)unlock;

@end

NSLock、NSConditionLock、NSRecursiveLock、NSCondition对应的实例都可以通过lock/unlock来进行加锁/解锁。

代码这样写就可以确保线程安全

    //A
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            [_lock lock];
            _info = @"a";
            NSLog(@"A--info:%@", _info);
            [_lock unlock];
        }
    });
    
    //B
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            [_lock lock];
            _info = @"b";
            NSLog(@"B--info:%@", _info);
            [_lock unlock];
        }
    });

注意：lock与unlock操作必须在同一线程，否则结果不确定甚至会引起死锁

除此之外，NSLock还提供另外两个方法，见名知意，不做过多解释。

- (BOOL)tryLock; 
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;

NSConditionLock

NSConditionLock中有这么几个方法

- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition NS_DESIGNATED_INITIALIZER;

@property (readonly) NSInteger condition;
- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)tryLock;
- (BOOL)tryLockWhenCondition:(NSInteger)condition;
- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition;
- (BOOL)lockBeforeDate:(NSDate *)limit;
- (BOOL)lockWhenCondition:(NSInteger)condition beforeDate:(NSDate *)limit;

在初始化lock时给个condition，属性condition为readonly，此时也是在给这个属性赋值
伪代码

- (instancetype)initWithCondition:(NSInteger)condition {
        if (self =[ [NSConditionLock alloc] init]) {
                [self setValue:@condition forKey:@"condition"];
        }
        return self;
}

利用condition加锁、解锁时伪代码是这样的

- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition {
        if (_condition == condition) [self lock];
}

- (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition {
      [self setValue:@condition forKey:@"condition"];
      [self unlock];
}

condition实现条件锁时(也可以不实现，直接调用协议方法lock)，只有符合条件才能上锁，但是解锁为非条件，任意condition都可以解锁，此时设置的condition为下一次条件锁的condition。
线程安全示例代码

   //A
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            [_lock lockWhenCondition:0];
            _info = @"a";
            NSLog(@"A--info:%@--condition:%zd", _info, _lock.condition);
            [_lock unlockWithCondition:1];

        }
    });
    
    //B
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            [_lock lockWhenCondition:1];
            _info = @"b";
            NSLog(@"B--info:%@--condition:%zd", _info, _lock.condition);
            [_lock unlockWithCondition:0];
        }
    });

利用这个特性，我们可以设置依赖关系。通常- (void)lock 与 - (void)unlockWithCondition:(NSInteger)condition 配合使用，- (void)lockWhenCondition:(NSInteger)condition 与- (void) unlock 配合使用，当然也可以混用。

NSRecursiveLock

NSRecursiveLock翻译成中文叫递归锁，顾名思义可处理同一方法内部多次上锁的场景

static int i = 10;

- (void)recursiveLock {
    [_lock lock];
    NSLog(@"NSRecursiveLock--%zd", i--);
    if (i >= 0) {
        [self recursiveLock];
    }
    [_lock unlock];
}

如果把这里的lock换成NSLock显然必死无疑（死锁）。不同于其他lock，虽然NSRecursiveLock可以多次上锁，但是只有当上的所有锁全被解锁后，其他线程才能再次获取到NSRecursiveLock

    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        [self recursiveLock];
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            [_lock lock];
            NSLog(@"lock");
            [_lock unlock];
            NSLog(@"unlock");
        }
    });

NSRecursiveLock

NSCondition

NSCondition中有这些方法

- (void)wait; //挂起线程
- (BOOL)waitUntilDate:(NSDate *)limit; //什么时候挂起线程
- (void)signal; // 唤醒一条挂起线程
- (void)broadcast; //唤醒所有挂起线程

NSCondition可以手动控制线程的挂起与唤醒，很明显可以利用这个特性设置依赖

基本用法：

    //A
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        [_lock lock];
        NSLog(@"A线程加锁");
        [_lock wait];
        NSLog(@"A线程唤醒");
        [_lock unlock];
        NSLog(@"A线程解锁");
    });
    
    //B
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        [_lock lock];
        NSLog(@"B线程加锁");
        [_lock wait];
        NSLog(@"B线程唤醒");
        [_lock unlock];
        NSLog(@"B线程解锁");
    });
    
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        sleep(2);
        [_lock signal];
    });

NSCondition-1

如果把[_lock signal]换成[_lock broadcast]

NSCondition-2

dispatch_semaphore

dispatch_semaphore利用信号量进行锁定

线程安全示例代码：

- (void)semaphore {
    dispatch_semaphore_t dsema = dispatch_semaphore_create(1);
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            dispatch_semaphore_wait(dsema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
            _info = @"a";
            NSLog(@"A--info:%@", _info);
            dispatch_semaphore_signal(dsema);
        }
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            dispatch_semaphore_wait(dsema, DISPATCH_TIME_FOREVER);
            _info = @"b";
            NSLog(@"B--info:%@", _info);
            dispatch_semaphore_signal(dsema);
        }
    });
}

/*! 
 * @param value
 *信号量的起始值，当传入的值小于零时返回NULL
 * @result
 * 成功返回一个新的信号量，失败返回NULL
 */
dispatch_semaphore_t dispatch_semaphore_create(long value)

/*!
 * @discussion
 * 信号量减1，如果结果小于0，那么等待队列中信号增量到来直到timeout
 * @param dsema
 * 信号量
 * @param timeout
 * 等待时间
 * 类型为dispatch_time_t，这里有两个宏DISPATCH_TIME_NOW、DISPATCH_TIME_FOREVER
 * @result
 * 若等待成功返回0，timeout返回非0
 */
long dispatch_semaphore_wait(dispatch_semaphore_t dsema, dispatch_time_t timeout);

/*!
 * @discussion
 * 信号量加1，如果之前的信号量小于0，将唤醒一条等待线程
 * @param dsema 
 * 信号量
 * @result
 * 唤醒一条线程返回非0，否则返回0
 */
long dispatch_semaphore_signal(dispatch_semaphore_t dsema)

OK，了解完3个函数都是干嘛用的，来试试水

超时，线程唤醒

- (void)semaphore {
    dispatch_semaphore_t dsema = dispatch_semaphore_create(0);
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
            long a = dispatch_semaphore_wait(dsema, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 1 * NSEC_PER_SEC));
            NSLog(@"a--%ld", a);
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        
        sleep(2);
        long b = dispatch_semaphore_signal(dsema);
        NSLog(@"b--%ld", b);
    });
}

semaphore-1

线程未唤醒，未超时

- (void)semaphore {
    dispatch_semaphore_t dsema = dispatch_semaphore_create(0);
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
            long a = dispatch_semaphore_wait(dsema, dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, 3 * NSEC_PER_SEC));
            NSLog(@"a--%ld", a);
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        
        sleep(1);
        long b = dispatch_semaphore_signal(dsema);
        NSLog(@"b--%ld", b);
    });
}

semaphore-2

结果和想的一样，没啥可继续唠的。多一嘴，线程唤醒与否和是否超时没必然关系，要看代码怎么写。

OSSpinLock

OSSpinLock自旋锁，使用时需导入头文件#import <libkern/OSAtomic.h>

    // 初始化 unlock为0，lock为非0
    OSSpinLock spinLock = OS_SPINLOCK_INIT;
    // 加锁
    OSSpinLockLock(&spinLock);
    // 解锁
    OSSpinLockUnlock(&spinLock);
    // 尝试加锁
    BOOL b = OSSpinLockTry(&spinLock);

- (void)OSSpinLock {
    OSSpinLock spinLock = OS_SPINLOCK_INIT;
    NSLog(@"加锁前:%zd", spinLock);
    OSSpinLockLock(&spinLock);
    NSLog(@"加锁后:%zd", spinLock);
    OSSpinLockUnlock(&spinLock);
    NSLog(@"解锁后:%zd", spinLock);
}

OSSpinLock-1

再来看一张截图

OSSpinLock-2

OSSpinLock is deprecated in iOS 10.0 - Use os_unfair_lock() from <os/lock.h> instead

由于自旋锁存在优先级反转问题（可查看YYKit作者的这篇文章不再安全的 OSSpinLock），在iOS 10.0中被<os/lock.h>中的os_unfair_lock()取代

os_unfair_lock

os_unfair_lock iOS 10.0新推出的锁，用于解决OSSpinLock优先级反转问题


    // 初始化
    os_unfair_lock_t unfairLock = &(OS_UNFAIR_LOCK_INIT);
    // 加锁
    os_unfair_lock_lock(unfairLock);
    // 解锁
    os_unfair_lock_unlock(unfairLock);
    // 尝试加锁
    BOOL b = os_unfair_lock_trylock(unfairLock);

POSIX LOCK

POSIX LOCK为C语言级别的锁，需引入头像文件#import<pthread.h>
线程安全示例代码：

static pthread_mutex_t lock;
- (void)pLock {
    
    pthread_mutex_init(&lock, NULL);
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            pthread_mutex_lock(&lock);
            _info = @"a";
            NSLog(@"A--info:%@", _info);
            pthread_mutex_unlock(&lock);
        }
    });
    
    dispatch_async(dispatch_get_global_queue(0, 0), ^{
        while (1) {
            pthread_mutex_lock(&lock);
            _info = @"b";
            NSLog(@"B--info:%@", _info);
            pthread_mutex_unlock(&lock);
        }
    });
}

POSIX LOCK不单有pthread_mutex_t还有pthread_cond_t等，因为不常用这里不做过多介绍。

NSDistributedLock

NSDistributedLock分布式锁，用于MAC OS开发，酱油路过

死锁

所谓死锁：是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

虽然进程在运行过程中，可能发生死锁，但死锁的发生也必须具备一定的条件，死锁的发生必须具备以下四个必要条件。
1）互斥条件：指进程对所分配到的资源进行排它性使用，即在一段时间内某资源只由一个进程占用。如果此时还有其它进程请求资源，则请求者只能等待，直至占有资源的进程用毕释放。
2）请求和保持条件：指进程已经保持至少一个资源，但又提出了新的资源请求，而该资源已被其它进程占有，此时请求进程阻塞，但又对自己已获得的其它资源保持不放。
3）不剥夺条件：指进程已获得的资源，在未使用完之前，不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。
4）环路等待条件：指在发生死锁时，必然存在一个进程——资源的环形链，即进程集合{P0，P1，P2，···，Pn}中的P0正在等待一个P1占用的资源；P1正在等待P2占用的资源，……，Pn正在等待已被P0占用的资源。【引自百科】

iOS中的锁

前言

atomic

@synchronized

NSLock

NSConditionLock

NSRecursiveLock

NSCondition

dispatch_semaphore

OSSpinLock

os_unfair_lock

POSIX LOCK

NSDistributedLock

死锁

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